非氧化物陶瓷

1、 第五章 非氧化物陶瓷第一節(jié) 概述 氮化物、碳化物、硅化物和硼化物陶瓷等 1，原料在自然界存在少，需要人工合成原料。 2，原料合成和陶瓷燒結(jié)時(shí)，易產(chǎn)生氧化物，必須在保護(hù)氣氛（Ar、N2）下進(jìn)行 3，非氧化物一般是鍵能很強(qiáng)的共價(jià)鍵，因此難熔或難燒結(jié)。第二節(jié) 氮化硅陶瓷 一、晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 氮化硅是由氮化硅是由SiSi3 3N N4 4四面體組成的共價(jià)鍵固體。四面體組成的共價(jià)鍵固體。 六方晶系六方晶系 Si3N4，針狀結(jié)晶體 灰白色Si3N4，顆粒狀結(jié)晶體 深色12001600度Si3N4不可逆轉(zhuǎn)化Si3N4Si3N4 為低溫相；Si3N4高溫相高純Si3N4 20002150度都不會(huì)轉(zhuǎn)化為Si

2、3N4雜質(zhì)如：MgO、Al2O3、Y2O3高溫時(shí)形成液相 溶解溶解沉積機(jī)理沉積機(jī)理SiCl4NH3H2系中加入少量TiCl4，13501450度可直接制備Si3N4 ；SiCl4NH3H2系在1150度生成沉淀，然后在Ar氣1400度熱處理6h，僅得到Si3N4。低于相變溫度的反應(yīng)燒結(jié)Si3N4 中，和相幾乎同時(shí)出現(xiàn)低溫時(shí)，低溫時(shí)，相對(duì)稱性低，較容易形成相對(duì)稱性低，較容易形成高溫時(shí)，高溫時(shí)，相對(duì)稱性高，熱力學(xué)穩(wěn)定相對(duì)稱性高，熱力學(xué)穩(wěn)定二、Si3N4陶瓷的性能與應(yīng)用1880s發(fā)現(xiàn)，1950s年代大規(guī)模研究我國(guó)與1970s開(kāi)始研究高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕，抗氧化和良好的抗熱沖擊及機(jī)械沖擊性，綜合性能

3、優(yōu)良1，高溫難熔化合物無(wú)熔點(diǎn)，1900度分解2，熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性好2.83.2106/K（1000度），與SiC、莫來(lái)石相近3，抗熱震性能好，抗熱振性能在陶瓷中是最好的。300800度4，高溫蠕變小，特別是加入少量SiC后5，具有優(yōu)異的電絕緣性能。6，硬度大，僅次愈SiC；耐磨性好且自潤(rùn)滑性好，0.1，與加油的金屬表面相似，極優(yōu)的耐磨材料。7，化學(xué)穩(wěn)定性好，抗氧化性好，表面易生成致密的SiO2保護(hù)層，最高使用溫度1670度，實(shí)際使用已經(jīng)可達(dá)到1400度。8，強(qiáng)度大最高強(qiáng)度可達(dá)1.7GPa，KIC11MPam1/29，化學(xué)穩(wěn)定性好，除氫氟酸外，能耐各種酸、王水和堿液的腐蝕，也能抗熔融金屬的侵

4、蝕氮化硅陶瓷等代替合金鋼制造陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)，其工作溫度可達(dá)1300130015001500。 1998年，美國(guó)軍方曾做過(guò)一次有趣的實(shí)驗(yàn)：在演習(xí)場(chǎng)200米跑道的起跑線上，停放著兩輛坦克，一輛裝有500馬力的鋼質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)，而另一輛裝有同樣馬力的陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)。陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)果然身手不凡，那輛坦克僅用了19秒鐘就首先到達(dá)終點(diǎn)，而鋼質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)坦克在充分預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)后，用了26秒才跑完全程。 陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率高，不僅可節(jié)省陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率高，不僅可節(jié)省3030的熱能，的熱能，而且工作功率比鋼質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)提高而且工作功率比鋼質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)提高4545以上。以上。另外，陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)需水冷系統(tǒng)，其密度也只有鋼的一半陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)需水冷系

5、統(tǒng)，其密度也只有鋼的一半左右，這對(duì)減小發(fā)動(dòng)機(jī)自身重量也有重要意義。左右，這對(duì)減小發(fā)動(dòng)機(jī)自身重量也有重要意義。 熱壓燒結(jié)氮化硅陶瓷用于制造形狀簡(jiǎn)單的耐磨、耐高溫零件和工具。如切削刀具、轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)刮片、高溫軸承等。Si3N4軸承軸承反應(yīng)燒結(jié)氮化硅陶瓷主要用于耐磨、耐高溫，耐腐蝕，形狀復(fù)雜且尺寸精度高的制品。如石油化工泵的密封環(huán)、高溫軸承、熱電偶套管、燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子葉片等；汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片氣閥等零件葉片氣閥等零件三、粉體制備超細(xì)粉體制備 1980s90s：激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積（LICVD） 等離子體氣相合成（PCVD） LICVD：SiCl4和NH3氣體吸收激光束吸收而產(chǎn)生熱解或化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)核

6、成長(zhǎng)形成10nm無(wú)定型Si3N4粉 PCVD： SiCl4和NH3氣體等離子化后，冷卻凝聚成無(wú)無(wú)定型Si3N4納米粉體 1990s 自蔓延合成 以硅粉為原料氮化反應(yīng)，反應(yīng)放熱來(lái)延續(xù)氮化反應(yīng)。 節(jié)約能源，加熱速度快，周期短相為主，燒結(jié)性能差 利用硅的氮化反應(yīng)的反應(yīng)燒結(jié)法及加入添利用硅的氮化反應(yīng)的反應(yīng)燒結(jié)法及加入添加劑的致密化燒結(jié)法。加劑的致密化燒結(jié)法。燒結(jié)工燒結(jié)工藝藝優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)缺點(diǎn) 反應(yīng)燒反應(yīng)燒結(jié)結(jié) 燒結(jié)時(shí)幾乎沒(méi)有收縮，燒結(jié)時(shí)幾乎沒(méi)有收縮，能得到復(fù)雜的形狀能得到復(fù)雜的形狀 密度低，強(qiáng)度低，密度低，強(qiáng)度低，耐蝕性差耐蝕性差 熱壓燒熱壓燒結(jié)結(jié) 用較少的助劑就能致用較少的助劑就能致密化，強(qiáng)度、耐蝕

7、性密化，強(qiáng)度、耐蝕性最好最好 只能制造簡(jiǎn)單形狀，只能制造簡(jiǎn)單形狀，燒結(jié)助劑使高溫強(qiáng)燒結(jié)助劑使高溫強(qiáng)度降低度降低 四、氮化硅燒結(jié)實(shí)現(xiàn)常壓燒結(jié)，須具備實(shí)現(xiàn)常壓燒結(jié)，須具備原料要求： 相原料，顆粒盡可能??；相原料，顆粒盡可能??；采用有效添加劑，促進(jìn)燒結(jié)，提高高溫性能；采用有效添加劑，促進(jìn)燒結(jié)，提高高溫性能；燒結(jié)氣氛，提高氮?dú)鈮毫?；燒結(jié)氣氛，提高氮?dú)鈮毫Γ皇褂檬褂肧i3N4+MgO+BN埋粉無(wú)壓燒結(jié)法；埋粉無(wú)壓燒結(jié)法；控制保溫時(shí)間，存在最佳溫度和保溫時(shí)間?？刂票貢r(shí)間，存在最佳溫度和保溫時(shí)間。1.常壓燒結(jié)常壓燒結(jié) 常壓燒結(jié)氮化硅的一般工藝是采用高常壓燒結(jié)氮化硅的一般工藝是采用高相的相的氮化硅粉（氮化硅

8、粉（Si3N4占占80%以上），添加氧以上），添加氧化鋁化鋁210%，氧化釔，氧化釔3%左右，經(jīng)研磨后充左右，經(jīng)研磨后充分混合，顆粒度在分混合，顆粒度在10um以下，成型后在氮以下，成型后在氮?dú)夥罩袩Y(jié)，升溫速率在氣氛中燒結(jié)，升溫速率在1520/min，燒，燒結(jié)溫度為結(jié)溫度為16001800，保溫時(shí)間為，保溫時(shí)間為0.53h，壓力保持在接近大氣壓范圍內(nèi)，可獲得相壓力保持在接近大氣壓范圍內(nèi)，可獲得相對(duì)密度對(duì)密度95%左右的燒結(jié)體，燒結(jié)成的制品左右的燒結(jié)體，燒結(jié)成的制品有有1525%的線收縮。的線收縮。 常壓燒結(jié)氮化硅陶瓷的抗折強(qiáng)度在常壓燒結(jié)氮化硅陶瓷的抗折強(qiáng)度在400600MPa，但其使用溫度高

9、時(shí)，但其使用溫度高時(shí)，坯體內(nèi)玻璃質(zhì)晶界相的粘度下降而坯體內(nèi)玻璃質(zhì)晶界相的粘度下降而產(chǎn)生流動(dòng)，以致晶粒間可以相互滑產(chǎn)生流動(dòng)，以致晶粒間可以相互滑移，使高溫強(qiáng)度下降，所以要盡量移，使高溫強(qiáng)度下降，所以要盡量減少添加劑的加入量，限制晶界玻減少添加劑的加入量，限制晶界玻璃相的含量。璃相的含量。2. 熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié) 熱壓法燒結(jié)氮化硅是直接用高熱壓法燒結(jié)氮化硅是直接用高相的氮化相的氮化硅粉，混以燒結(jié)助劑，爐內(nèi)排除空氣，并硅粉，混以燒結(jié)助劑，爐內(nèi)排除空氣，并用氮?dú)獗Ｗo(hù)的情況下，在用氮?dú)獗Ｗo(hù)的情況下，在16001800，在能使高溫中坯體內(nèi)部發(fā)生塑性流動(dòng)的壓在能使高溫中坯體內(nèi)部發(fā)生塑性流動(dòng)的壓力下（一般力下（

10、一般2040MPa），保溫十幾分鐘），保溫十幾分鐘到一個(gè)小時(shí)以上液相燒結(jié)而成的。在燒結(jié)到一個(gè)小時(shí)以上液相燒結(jié)而成的。在燒結(jié)過(guò)程中主要的推動(dòng)力是外加的壓力。依靠過(guò)程中主要的推動(dòng)力是外加的壓力。依靠外力的作用，成型與燒結(jié)成為一個(gè)連續(xù)的外力的作用，成型與燒結(jié)成為一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，這是熱壓燒結(jié)的特點(diǎn)。過(guò)程，這是熱壓燒結(jié)的特點(diǎn)。 熱壓燒結(jié)工藝能在較短的時(shí)間、較低的溫度下獲熱壓燒結(jié)工藝能在較短的時(shí)間、較低的溫度下獲得相對(duì)密度較高的氮化硅燒結(jié)體。得相對(duì)密度較高的氮化硅燒結(jié)體。 一般熱壓氮化硅的相對(duì)密度可達(dá)到一般熱壓氮化硅的相對(duì)密度可達(dá)到98%以上。然以上。然而，熱壓氮化硅在燒結(jié)過(guò)程中主要受軸向外力的而，熱壓氮

11、化硅在燒結(jié)過(guò)程中主要受軸向外力的作用，坯件的致密程度和晶體的生長(zhǎng)都帶有一定作用，坯件的致密程度和晶體的生長(zhǎng)都帶有一定方向性，以致性能上產(chǎn)生各向異性，如機(jī)械強(qiáng)度方向性，以致性能上產(chǎn)生各向異性，如機(jī)械強(qiáng)度會(huì)有會(huì)有2025%的差異，對(duì)實(shí)際應(yīng)用有所影響。熱壓的差異，對(duì)實(shí)際應(yīng)用有所影響。熱壓氮化硅生產(chǎn)效率較低，普通熱壓爐一次一般只能氮化硅生產(chǎn)效率較低，普通熱壓爐一次一般只能生產(chǎn)一塊片狀坯體，大批量生產(chǎn)較困難，且產(chǎn)品生產(chǎn)一塊片狀坯體，大批量生產(chǎn)較困難，且產(chǎn)品形狀受一定的限制，不能生產(chǎn)復(fù)雜件。形狀受一定的限制，不能生產(chǎn)復(fù)雜件。3. 熱等靜壓燒結(jié)熱等靜壓燒結(jié) 為避免機(jī)械壓力的方向性，也有以高壓氣體傳遞為避免機(jī)

12、械壓力的方向性，也有以高壓氣體傳遞壓力使坯件致密，生產(chǎn)氮化硅制品的。這種方法壓力使坯件致密，生產(chǎn)氮化硅制品的。這種方法就是先成型氮化硅生坯，再在就是先成型氮化硅生坯，再在100200MPa的高的高壓氮?dú)夥罩袩Y(jié)，燒結(jié)溫度為壓氮?dú)夥罩袩Y(jié)，燒結(jié)溫度為16502100，保溫，保溫時(shí)間為時(shí)間為0.53h。從坯件受壓的性質(zhì)來(lái)看，是屬于。從坯件受壓的性質(zhì)來(lái)看，是屬于等靜壓燒結(jié)的。等靜壓燒結(jié)的。 典型的等靜壓燒結(jié)是將氮化硅粉料或生坯用玻璃典型的等靜壓燒結(jié)是將氮化硅粉料或生坯用玻璃容器包封，在高溫下，玻璃呈熔融狀態(tài)，成為可容器包封，在高溫下，玻璃呈熔融狀態(tài)，成為可傳遞壓力的介質(zhì)，在壓力作用下燒結(jié)即可得到均傳

13、遞壓力的介質(zhì)，在壓力作用下燒結(jié)即可得到均質(zhì)致密無(wú)方向性的氮化硅燒結(jié)體。質(zhì)致密無(wú)方向性的氮化硅燒結(jié)體。第三節(jié) 賽龍（sialon）陶瓷 賽隆陶瓷(Sialon)即氮化硅Si3N4和氧化鋁Al2O3的固溶體 1971年日本小山陽(yáng)一 1972年英國(guó)的Jack和Wilson發(fā)現(xiàn) 化學(xué)式寫作Si6-xAlxOxN8-x（x為鋁原子置換硅原子的數(shù)目，范圍是04.2）。基本結(jié)構(gòu)單元為(Si、Al)(O、N)4四面體。Sialon1700狀態(tài)圖 根據(jù)結(jié)構(gòu)和組份的不同，又可以分為三種類型：賽隆、 賽隆、賽隆。 賽隆以- Si3N4為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，具有較好的強(qiáng)韌性；賽隆以- Si3N4為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，具有很高的硬度和耐磨

14、性；O賽隆保留了Si2N2O結(jié)構(gòu)，抗氧化性非常好，高溫下不易氧化。 現(xiàn)已形成賽隆材料體系，即某些金屬氧化物或氮化物可進(jìn)入Si3N4晶格形成一系列因溶體。除Si-Al-O-N體系外，還有Mg-Si-Al-O-N體系，Ln-Si-Al-O-N體系（Ln為釔及稀土金屬氧化物等）。性能與應(yīng)用 賽龍?zhí)沾捎锌赡軠p少或消除熔點(diǎn)不高的玻璃態(tài)有可能減少或消除熔點(diǎn)不高的玻璃態(tài)晶界而以具有優(yōu)良性能的晶體的固溶體形態(tài)存晶界而以具有優(yōu)良性能的晶體的固溶體形態(tài)存在在，因此常溫和高溫強(qiáng)度很高，常溫和高溫化學(xué)性能穩(wěn)定優(yōu)異，耐磨性能好，熱膨脹系數(shù)很低，抗熱沖擊性能好，抗氧化性強(qiáng)，密度相對(duì)較小。日本制造的賽龍纖維，使用溫度高達(dá)1

15、700。賽龍?zhí)沾蛇€具有優(yōu)異的抗熔融腐蝕能力，幾乎還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)它被金屬浸潤(rùn)的情況。賽龍的硬度也很高，是一種超硬的工具材料。 賽隆陶瓷具有較好的韌性，很高的硬度和耐磨性，以及非常高的高溫抗氧化性。 賽隆陶瓷已在發(fā)動(dòng)機(jī)部件、軸承和密封圈等耐磨部件及刀具材料中得到應(yīng)用。還在銅鋁等合金冶煉、軋制和鑄造上得到了應(yīng)用。 可用于制作軸承、密封件、熱電偶套管、晶體生長(zhǎng)用坩堝、模具材料、汽車內(nèi)燃機(jī)挺桿、高溫紅外測(cè)溫儀窗口、生物陶瓷和人工關(guān)節(jié)等。 賽隆硬度高，已被用作軸承、滾珠、密封圈等耐磨部件，也可以用作陶瓷粉料的磨球。 賽隆可耐用1300的高溫，已用作軸承、滾珠、密封件、定位梢、刀具和有色金屬冶煉成型材料。 賽隆

16、可用作金屬連續(xù)澆鑄的分流環(huán)及噴嘴、熱電偶保護(hù)、坩堝、合金管的拉拔芯棒和壓鑄模具等。 制備技術(shù) 無(wú)壓燒結(jié)： Si3N4 、 Al2O3、AlN、Y2O3及其他金屬氧化物， 16001800度N2氣氛中燒結(jié)。 熱壓燒結(jié)： Si3N4 、 Al2O3 ，16001800度N2氣氛或真空中燒結(jié)。 自蔓延反應(yīng)法 Si粉、 Al粉、高純Si3N4 粉、AlN粉，N2氣氛下Ti粉引燃 天然原料還原氮化法 高嶺土、葉蠟石等加入C粉在N2氣氛下還原第四節(jié) AlN陶瓷 1862年 首次合成 1900s 固氮中間體 1950s 新材料研究 一、晶體結(jié)構(gòu) 六方晶系、纖鋅礦結(jié)構(gòu) 白色或灰白色 二、性能特點(diǎn)與應(yīng)用 245

17、0度升華，不發(fā)生不變形 熱導(dǎo)率為Al2O310倍，熱膨脹系數(shù)比其小，與Si相近 不受GaAs和Al液浸燭 室溫強(qiáng)度不高 大氣中易吸潮水解 高溫抗氧化性差（800度）制備 1，AlN粉末制備 1）直接氮化法 鋁顆粒表面被氮化生成AlN層，阻礙N的擴(kuò)散，轉(zhuǎn)化率低。 強(qiáng)放熱反應(yīng)，反應(yīng)溫度高，易產(chǎn)生自燒結(jié)形成團(tuán)聚。 N2和NH3混合氣體，懸浮法生產(chǎn)，產(chǎn)率100，粒徑10m，且顆粒表面有裂紋，易粉碎為0.2m 2)碳熱還原氧化法（工業(yè)常用） Al2O3粉、C粉在N2氣氛下14001700度氮化，700度空氣中脫碳。 粉體純度高，粒度細(xì)小，燒結(jié)性能好 3）鋁的鹵化物和氨反應(yīng)法 4）鋁粉和有機(jī)氮化物（二氰二

18、胺、三聚氰酰胺）反應(yīng)法 5）高溫自蔓延合成法 超細(xì)粉體制備 6 ）電弧法 Al氣體中氮化 50nm Al氣體和NH3氣氛中氮化 10nm 7）等離子體 粉末細(xì)，易水解 氬氣1800度處理，降低活性 成型 PVD 聚乙烯醇縮丁醛 燒成 常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)和反應(yīng)燒結(jié) 常壓燒結(jié)（18001900度） 助燒劑：Y2O3、YF3、CaO、CaF2等 與AlN表面Al2O3反應(yīng)形成低熔物，液相燒結(jié) 可與氧雜質(zhì)形成鋁酸鹽，在晶界析出，降低AlN晶格中的氧含量，提高熱導(dǎo)率 反應(yīng)燒結(jié)（自蔓延法） 致密度不高，熱導(dǎo)率低，常用于生產(chǎn)坩鍋 熱壓燒結(jié)： 主要工藝，電子公司常用第五節(jié) BN陶瓷 1842年 貝爾實(shí)驗(yàn)室合成

19、 “白石墨” 一、晶體結(jié)構(gòu) 六方BN （HBN） 常壓穩(wěn)定 立方BN （CBN） 高壓穩(wěn)定 二、六方BN（HBN）性能特點(diǎn)與應(yīng)用 有自潤(rùn)滑性，耐磨性好 良好的耐熱性和導(dǎo)熱性，熱導(dǎo)率與不銹鋼相當(dāng)，熱脹系數(shù)比金屬和其它陶瓷低得多，故抗熱振性和熱穩(wěn)定性好（201200度） 高溫絕緣性好，2000仍是絕緣體，是理想的高溫絕緣材料和散熱材料； 化學(xué)穩(wěn)定性高，能抗Fe、Al、Ni等熔融金屬的侵蝕 氮化硼陶瓷常用于制作熱電偶套管，熔煉半導(dǎo)體、金屬的坩堝和冶金用高溫容器和管道，高溫軸承，下班制品成型模，高溫絕緣材料； 核反應(yīng)堆中吸收熱中子的控制棒。 最輕的陶瓷，飛船和飛船應(yīng)用前景三、制備工藝 1、鹵化硼法（氣

20、相合成法） 9001200度 2、硼酐法 硼酐在氮化溫度下黏性液體，阻礙氮化。 3、硼酸法 4、硼砂法 1）硼砂氯化銨 2）硼砂尿素法 預(yù)燒體溫度 400500度 氮化反應(yīng)溫度 9001200度 5、電弧等離子法四、燒結(jié) 熱壓燒結(jié) 添加劑：B2O3、Si3N4、ALPO4、BaCO3等 17002000度，1035MPa 問(wèn)題：吸水率高，機(jī)械強(qiáng)度低 五、立方五、立方BN（CBN）性能特點(diǎn)與應(yīng)用）性能特點(diǎn)與應(yīng)用 黑色、棕色或暗紅色晶體，閃鋅礦結(jié)構(gòu) 導(dǎo)熱性好 硬度僅次C 刀具和磨料使用 1957年 通用公司合成 1969年 Borazon商品 1973年 美國(guó)制成CBN刀具 1975年 日本引進(jìn)技

21、術(shù) CBN化學(xué)惰性比C和硬質(zhì)合金好 抗氧化性好 C：500700度 CBN：1300度不氧化 Fe： C ： 700度 合金：600700度 CBN：1150度 壽命長(zhǎng)： 數(shù)倍數(shù)十倍 精加工 “以車代磨” Cu、Al合金，0.080.16微米 Fe、不銹鋼，0.160.32微米六、制備 1、粉體 1）HBNCBN 堿和堿土金屬為催化劑 15002000度 69GPa 2）薄膜法 CVD、PVD七、燒結(jié) 熱壓燒結(jié) （N2氣氛） 添加劑：B2O3SiO2 防止B的析出形成N空位 16001900度 9GPa第六節(jié) TiN陶瓷 一、晶體結(jié)構(gòu) 面心立方， NaCl結(jié)構(gòu)二、性能與特點(diǎn) 熔點(diǎn)高 2950度

22、 硬度高、化學(xué)溫度性好 磨料、刀具 金黃色、 表面裝飾 較高的導(dǎo)電性和超導(dǎo)特性 電觸頭材料、電極材料 三、粉體制備四、燒結(jié) 熱壓燒結(jié) （N2氣氛）第七節(jié) 碳化硅陶瓷 一、晶體結(jié)構(gòu) SiC是共價(jià)鍵很強(qiáng)的化合物，SiC中Si-C鍵的離子性僅12左右。 SiC具有和兩種晶型。SiC的晶體結(jié)構(gòu)為立方晶系，Si和C分別組成面心立方晶格；SiC存在著4H、15R和6H等100余種多型體，其中，6H多型體為工業(yè)應(yīng)用上最為普遍的一種。 閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)立方晶系 -碳化硅纖鋅礦型結(jié)構(gòu)，六方晶系 -碳化硅 在溫度低于1600時(shí)，SiC以SiC形式存在。當(dāng)高于1600時(shí)，SiC緩慢轉(zhuǎn)變成SiC的各種多型體。4HSiC

23、在2000左右容易生成；15R和6H多型體均需在2100以上的高溫才易生成；對(duì)于6HSiC，即使溫度超過(guò)2200，也是非常穩(wěn)定的。SiC中各種多型體之間的自由能相差很小，因此，微量雜質(zhì)的固溶也會(huì)引起多型體之間的熱穩(wěn)定關(guān)系變化。 二、性能與應(yīng)用 1，化學(xué)穩(wěn)定性好、具有抗氧化性強(qiáng)。 NaOH、KOH、Na2O、K2CO3 高溫時(shí)可分解SiC Na2O2、PbO強(qiáng)烈分解SiC H2O13001400度開(kāi)始分解，17751800度強(qiáng)烈反應(yīng) 具有抗氧化性強(qiáng)，碳化物中性能最好 1000度 開(kāi)始氧化 1350度 顯著氧化 1500度 表面SiO2膜，阻止氧化 1750度 強(qiáng)烈氧化 2，硬度高，耐磨性能好 C

24、BNBCSiC 3，SiC寬能帶隙半導(dǎo)體性，少量雜質(zhì)的引入會(huì)表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性。 4，負(fù)溫度系數(shù) 并且在10001500度范圍內(nèi)變化不大 5，熱穩(wěn)定性好，高溫強(qiáng)度大。 抗壓強(qiáng)度1000-1500MN/m2在1400時(shí)抗彎強(qiáng)度仍保持在500600MPa。 6，熱膨脹系數(shù)小，熱導(dǎo)率大以及抗熱震和耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)良特性。 7，脆性大、韌性差 碳化硅的最大特點(diǎn)是高溫強(qiáng)度高，有很好的耐磨碳化硅的最大特點(diǎn)是高溫強(qiáng)度高，有很好的耐磨損、耐腐蝕、抗蠕變性能，其熱傳導(dǎo)能力很強(qiáng)，損、耐腐蝕、抗蠕變性能，其熱傳導(dǎo)能力很強(qiáng)，僅次于氧化鈹陶瓷。僅次于氧化鈹陶瓷。 SiC密封件密封件 碳化硅陶瓷用于制造火箭碳化硅陶瓷用于制

25、造火箭噴嘴、澆注金屬的喉管、噴嘴、澆注金屬的喉管、熱電偶套管、爐管、燃?xì)鉄犭娕继坠?、爐管、燃?xì)廨啓C(jī)葉片及軸承，泵的密輪機(jī)葉片及軸承，泵的密封圈、拉絲成型模具等。封圈、拉絲成型模具等。 SiC陶瓷件陶瓷件SiC陶瓷件陶瓷件SiC軸承軸承三、制備工藝 1、SiC粉末的合成SiC在地球上幾乎不存在，僅在隕石中有所發(fā)現(xiàn)，因此，工業(yè)上應(yīng)用的SiC粉末都為人工合成。目前，合成SiC粉末的主要方法有： 1）、Acheson法： 這是工業(yè)上采用最多的合成方法，即用電將石英砂和焦炭的混合物加熱至2500左右高溫反應(yīng)制得。因石英砂和焦炭中通常含有Al和Fe等雜質(zhì)，在制成的SiC中都固溶有少量雜質(zhì)。其中，雜質(zhì)少的呈

26、綠色，雜質(zhì)多的呈黑色。 2）化合法： 在一定的溫度下，使高純的硅與碳黑直接發(fā)生反應(yīng)。由此可合成高純度的SiC粉末。 3）熱分解法： 使聚碳硅烷或三氯甲基硅等有機(jī)硅聚合物在12001500的溫度范圍內(nèi)發(fā)生分解反應(yīng)，由此制得亞微米級(jí)的SiC粉末。 4）氣相反相法： 使SiCl4和SiH4等含硅的氣體以及CH4、C3H8、C7H8等同時(shí)含有硅和碳的氣體在高溫下發(fā)生反應(yīng)，由此制備納米級(jí)的SiC超細(xì)粉。 2、碳化硅陶瓷的燒結(jié) 1、無(wú)壓燒結(jié) 1974年美國(guó)GE公司通過(guò)在高純度SiC細(xì)粉中同時(shí)加入少量的B和C，采用無(wú)壓燒結(jié)工藝，于2020成功地獲得高密度SiC陶瓷。目前，該工藝已成為制備SiC陶瓷的主要方法

27、。美國(guó)GE公司研究者認(rèn)為：B固溶到SiC中，使晶界能降低，C把SiC粒子表面的SiO2還原除去，提高表面能，因此B和C的添加為SiC的致密化創(chuàng)造了熱力學(xué)方面的有利條件。 日本研究人員卻認(rèn)為SiC的致密化機(jī)理可能是液相燒結(jié)，他們發(fā)現(xiàn)：在同時(shí)添加B和C的SiC燒結(jié)體中，有富B的液相存在于晶界處。 關(guān)于無(wú)壓燒結(jié)機(jī)理，目前尚無(wú)定論。 為了SiC的致密燒結(jié)，SiC粉料的比表面積應(yīng)在10m2g以上，且氧含量盡可能低。B的添加量在05左右，C的添加量取決于SiC原料中氧含量高低，通常C的添加量與SiC粉料中的氧含量成正比。 以SiC為原料，同時(shí)添加B和C，也同樣可實(shí)現(xiàn)SiC的致密燒結(jié)。 最近，有研究者在亞微米SiC粉料中加入Al2O3和Y2O3，在18502000溫度下實(shí)現(xiàn)SiC的致密燒結(jié)。由于燒結(jié)溫度低而具有明顯細(xì)化的微觀結(jié)構(gòu)，因而，其強(qiáng)度和韌性大大改善。 常壓燒結(jié)碳化硅常壓燒結(jié)碳化硅 2、熱壓燒結(jié) 50年代中期，美國(guó)Norton公司 Al和Fe是促進(jìn)SiC熱壓致密化的最有效的添加劑。Al2O3為添加劑，通過(guò)熱壓燒結(jié)工藝，也實(shí)現(xiàn)了SiC的致密化，并認(rèn)為其機(jī)理是液相燒結(jié)。 此外，還有研究者分別以B4C、B或B與C，Al2O3和C、Al2O3和Y2O3、Be